電力系統制御システムのデジタル化の展望

1. 概要

電力系統とは、発電機、送電線、変圧器、配電・中継システムのネットワークであり、消費者（家庭用、産業用、商業用）に必要な電力を供給するためのものである。現在、電気エネルギーは、中央集権型の発電所で発電され、長距離の送電網を経て配電網に運ばれ、通信を介して最終消費者に届くまでの間に、発電所から需要家までの一方向にのみ電力が流れており、これを総称して電力系統と呼んでいる。数十年の開発の後、様々なユーティリティーが相互接続して、送電線や発電機などの電力機器からの断線だけでなく、予期せぬ故障を補償することで、電力システム全体の信頼性を高めることができることが実現されている。

電力系統では、発電、送電、配電が正確に協調して行われなければならない。発電は、風力・太陽光発電所、石炭発電所、水力発電ダムなどのエネルギー源から電気を生産するものである。発電機は、安全性、法的、経済的な理由から、人口の中心地に近すぎる場所に設置することはできないため、電力系統は、長距離（多くの場合、数百キロ以上）にわたって電気を運ぶための送電線を必要としている。配電には、送電線から電気を取り出して顧客に届けることが含まれる。一般的に、配電システムには中電圧電力線（50kV以下）、変電所、変圧器が含まれており、送電変電所から始まり、顧客のメーターに至る。変電所は、電力を異なる地域に分割するためのバス、降圧変圧器、リレー、遮断器で構成され、必要に応じて変電所を異なる配電線や電力系統から切り離すように設計されている。

同じ送電変電所でも、異なる電圧の電力を異なる地域に送ることができ、さらに数段階で降圧して7200Vに達することもある。各顧客サイトでは、7200Vから240Vに電圧を下げるために変圧器が使われている。変圧器からの2本の電線は、建物や住宅の電力メーターに接続するために使用され、それぞれが120Vを運んでいる。この2本の電線は180度位相がずれており、結果的に240Vとなり、顧客は240Vと120Vの両方の電化製品を使用することができる。

状況認識と自動分析が不足しているため、今日の電力網は老朽化しており、21世紀に急増する電力需要には不向きである。例えば、米国では、過去20年間で電力の消費量と需要が毎年2.5%増加している。また、電力・運輸業による地球規模の気候変動や温室効果ガスの排出により、既存の電力網への負担が大きくなっているため、次世代の電力網を構築するための新しい概念が必要とされている。そのため、これらの課題を解決するためには、次世代電力システムの新しい概念が急務となっており、スマートグリッド（SG）の提案がなされている。

SGは、電力系統上に通信ネットワークを重ね合わせたものと考えることができる。したがって、太陽光発電システム、風力発電、バイオマス発電、潮力発電、小水力発電、プラグインハイブリッド電気自動車などの再生可能エネルギーや代替エネルギー源を、自動制御と最新の通信技術を介してシームレスに統合することで、顧客への電力供給の効率性、信頼性、安全性、セキュリティを向上させることができる。SGでは、電気グリッドのこれら4つの分野の様々なコンポーネントが双方向通信と電力の流れを介して連携し、それらの間で相互運用性を提供している。

したがって、消費者は、これらの双方向の流れの監視と測定を可能にするスマートメーターを使用して、電力を引き込むだけでなく、余剰電力をグリッドに供給することができる。この新しいインフラストラクチャは、潜在的に何百万もの代替マイクロエネルギー源を生成し、瞬時の電力需要情報交換を通じた負荷分散の改善を可能にする可能性があり、これにより、発電所がメータリング、センシング、およびモニタリングから生成された情報の助けを借りて、発電所の出力を需要に適合させることができるようになる。

SGを実現するためには、スマートメーターをベースとした高度メータリングインフラストラクチャ（AMI）が最も重要な鍵となる。AMIとは、スマートメーターからのデータを双方向通信で収集・分析し、そのデータに基づいて電力関連の各種アプリケーションやサービスをインテリジェントに管理するシステムのことである。AMIとは、電力メーターへの双方向通信によるメータリングソリューションの展開のことを指している。AMIの導入は、電力系統制御システムのデジタル化の第一歩と広く見られている。最近では、オンライン検針と制御の正確な改善のために、AMIは産業界と商業界の両方で大きな魅力を得ている。AMIには、顧客の敷地内に設置された電気、ガス、熱量計などのスマートメーター、アクセスポイント、顧客とサービスプロバイダー間の通信バックボーンネットワーク、およびデータを測定、収集、管理、分析して更なる処理を行うためのデータ管理システムが含まれている。

スマートメーターは、従来のメーターよりもはるかに詳細に電力消費量を識別することができ、収集した情報を定期的に電力会社に送り返し、負荷監視と請求の目的で使用することができる。さらに、スマートメーターの測定値から得られるデータは、コントロールセンターがデマンド/レスポンスのメカニズムを実装するためにも重要な役割を果たす。スマートメーターを使用することで、顧客は電力消費を制御し、電力使用量を管理することができ、特にピーク時の負荷を管理することができる。

これにより、電力会社は、顧客の参加により、すべての顧客に対してより安く均一な料金で電力を供給することが可能となり、それに伴う二酸化炭素の排出量が減少する可能性がある。AMIの利用が増加しているにもかかわらず、このようなシステムのセキュリティニーズを特定するための評価や研究開発はほとんど行われていない。そこで、本章の目的は、SG のスマートメータに基づく AMI について包括的に説明することである。さらに、SG における AMI のセキュリティ上の問題点、主要な課題、および解決策についても提案する。

2. スマートメーター

スマートメーターは、従来のエネルギーメーターに比べて双方向通信に対応した先進的なエネルギーメーター。スマートメーターは、消費者のエネルギー消費データを測定し、付加情報を電力会社に送信して、分散型の発電源や蓄電装置をサポートし、それに応じて顧客に請求することができる。その上、スマートメーターは、電力会社から電力料金や指令に関する情報を受け取り、消費者に配信することができる。実際には、スマートメーターは、電圧、周波数、位相角の値など、顧客のエネルギー消費情報をリアルタイムで読み取ることができ、その情報を安全に制御センターに伝えることができる。

スマートメーターは、データの双方向通信を利用して、顧客の家の電力消費量に関する情報を収集することができる。スマートメーターが収集したデータは、メーター固有の識別子、データのタイムスタンプ、電力消費値などのパラメータを組み合わせたものである。これらの情報に基づいて、スマートメーターは、ローカルだけでなく、リモートで顧客の敷地内のすべての家庭用機器や家電製品のための制御コマンドを監視し、実行することができる。

さらに、スマートメーターは、ホームエリアネットワーク（HAN）を使用して、その範囲内の他のメーターと通信して、顧客の家電製品だけでなく、配電網に関する診断情報を収集することができる。さらに、スマートメーターは、顧客が所有する分散型発電源または蓄電装置から消費された電力は請求されないのに対し、ユーティリティグリッドから消費された電力のみが請求されるようにプログラムすることができる。その結果、最大消費電力を制限することができ、遠隔で任意の顧客への電力供給を終了または再接続することができる。

スマートメーターシステムは、SG内のパラメータや状況を識別するための様々な制御装置やセンサーを含み、収集したデータをコントロールセンターに転送したり、顧客の家庭内の機器に指令信号を提供したりする。定期的に顧客のすべての機器から収集された電力消費データは、電力会社が電力需要 / 応答をより効率的に管理するのに役立ち、また、費用対効果の高い電化製品の使用方法について顧客に有用な情報を提供するのにも役立つ。また、スマートメーターをプログラムすることで、家庭内の機器の動作スケジュールを管理し、それに応じて他の機器の動作を制御することも可能である。また、電力網にスマートメーターを組み込むことで、電力会社は電力品質や配電効率の向上の観点から、電力の盗難や不正消費を検知・特定することができるようになる。したがって、スマートメータは将来、配電網上の負荷の性能とエネルギー使用特性を監視する上で非常に重要な役割を果たすことになる。

一般的に、スマートメータは通信と計測の2つの主要な機能を実装している。したがって、各メータはそれぞれ通信と計測の2つのサブシステムを備えている。通信部分には、適切なデータ伝送アプローチを定義するセキュリティと暗号化が含まれる。計量は、測定される現象、技術的要件、地域、精度、用途、データセキュリティのレベルなど、複数の特性に応じて変化する。

その結果、スマートメータに基づいて、電力会社は、小型の分散型発電機と大型の集中型発電機の両方の利点を組み合わせることにより、信頼性が高く、容易にアクセス可能で、柔軟性があり、費用対効果の高いエネルギーサービスを消費者に提供することができる。さらに、需要管理技術は、これらの企業がスマートメーターからリアルタイムで大量のデータを収集しなければならない。この概念を実現するための重要な要素の一つが、スマートメーターからのデータを収集・分析し、そのデータに基づいて電力関連の様々なアプリケーションやサービスをインテリジェントに管理する高度なメータリングインフラストラクチャである。

3. SGのスマートメーターをベースにしたAMI

AMIは、他のスマートグリッドアプリケーションを実現し、ユーティリティ全体で運用やビジネス上のメリットを実現するための主要な仕組みである。AMIは、ユーザー領域とユーティリティ領域の双方向通信を利用してスマートメーターからのデータを収集・分析し、そのデータに基づいて電力関連の各種アプリケーションやサービスをインテリジェントに管理する仕組みである。AMIの導入は、電力系統制御システムのデジタル化の第一歩として広く知られている。AMIの主な機能は、電力測定設備、適応的な電力価格設定やデマンドサイド管理の支援、自己回復能力の提供、他システムとのインターフェースなどだ。最近では、オンライン検針と制御の正確な改善により、AMIは産業界と学術界の両方で大きな注目を集めている。AMIは、経済的なメリット、サービスの向上、環境への配慮などに貢献している。

AMIには、顧客の敷地内に設置された電気、ガス、熱量計などのスマートメータ、アクセスポイント、顧客とサービスプロバイダ間の通信バックボーンネットワーク、およびデータを測定、収集、管理、分析して更なる処理を行うためのデータ管理システムが含まれる。これらのAMIコンポーネントは、通常、様々なネットワーク や、公共のものと民間のものなどの異なる領域に配置されている。AMI システムでは、スマートメータはスマートグリッドの物理的、情報的、社会的ドメインのキーインタフェースと考えられている。

スマートメーターは家電製品の消費電力を監視・記録する役割を担っており、消費者にとって重要なデバイスであることがわかる。HAN（Home Area Network）は、家電製品と、屋上太陽光発電システム、分散型センサー、プラグインハイブリッド電気自動車／プラグインハイブリッド電気自動車、インホームディスプレイ（IHD）、スマートサーモスタットなどの他の統合システム、そしてスマートメーター間の接続を提供します。これらの構成要素間の通信には、電力線通信（PLC）やZigBee、6LowPAN、Z波などの無線通信を利用することができる。NAN（Neighbor Area Network）は、WiMAXやセルラー技術を用いて、複数のスマートメータとデータコンセントレータ間の通信リンクを提供します。多数のデータコンセントレータは、WAN（Wide Area Network）を介してユーティリティ側の中央システム（AMIヘッドエンドとも呼ばれる）に接続される。一般的に、WANは、コアネットワークとバックホールネットワークという2つの相互接続されたネットワークで構成されている。

コアネットワークは、コントロールセンターへの接続を提供し、一般的に光ファイバまたはセルラーネットワークを使用して、高いデータレートと低遅延を保証する。バックホールネットワークは、NANや監視装置へのブロードバンド接続を行う。バックホールネットワークにコグニティブ無線（CR）技術を適用することで、投資コストを削減し、柔軟性、容量、カバレッジを向上させることができる。典型的には、ユーティリティ側に配置されるAMIヘッドエンドは、地理情報システム（GIS）、構成システム、メータデータ管理システム（MDMS）などを含む。これらのサブシステムは、相互通信のためにローカルエリアネットワーク（LAN）を利用することができる。

AMIでは、スマートメーターは従来のメーターよりもはるかに詳細に電力消費量を識別し、収集した情報を定期的に電力会社に送り返して負荷監視と請求を行うことができる。さらに、スマートメーターの読み取ったデータは、コントロールセンターがデマンドレスポンスメカニズムを実装するためにも重要だ。スマートメーターを使用することで、顧客は電力消費を制御し、どのくらいの電力を使用しているかを管理することができ、特にピーク時の負荷を管理することができる。したがって、顧客が参加することで、電力会社はすべての顧客に対してより低い料金で電力を提供することができ、その結果、二酸化炭素の排出量を削減することができる可能性が高い。

一般的に、既存のAMIはスマートメーターやセンサーから15分間隔でデータを収集しているが、収集されたデータは膨大で重要であり、200万世帯の中規模都市では毎日22GBのメーターデータを生成すると推定されている。特に、分析ツールを備えたMDMSは管理システムの中心的なモジュールと考えられている。また、MDMSはAMIデータの検証、推定、編集などを行うことで、下層の中断の可能性がある中で、顧客から管理モジュールへの完全で正確なビッグデータを確保しなければなりません。さらに、SGのリアルタイム制御のためにセンサーごとに毎秒最大30サンプルを収集する配電網自動化システムや、グリッドに接続されている蓄電所や分散型エネルギー資源などの第三者システム、中央指令間の通信を担当する資産管理システムも、SG のビッグデータを生成するソースである。その結果、通信バックボーンネットワークは、データを通信するための帯域幅と遅延の面で要件を満たすのに十分な信頼性、安全性、拡張性、費用対効果を備えていなければならない。

参考文献

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2. 小林 崇裕 前出 幸彦 伊藤  聡. スマートグリッドにおける AMI システム. 東芝レビュー（2012年8月）.
3. Kuzlu, M. et al. “Communication network requirements for major smart grid applications in HAN, NAN and WAN.” Comput. Networks 67 (2014): 74-88. https://www.semanticscholar.org/paper/Communication-network-requirements-for-major-smart-Kuzlu-Pipattanasomporn/002cf8475de6537911f1514822a6a195d14276f0

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